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利用Swarm卫星轨道摄动联合EGM2008重力场模型研究区域构造应力

郭斐  
【摘要】:反演区域构造应力场,尤其是研究地震等地质灾害前后构造应力的变化,一直是地学领域的研究热点。随着卫星测量时代的到来,利用卫星实现构造应力计算是大势所趋。Swarm卫星作为欧空局的第一个地球观测卫星星群,携带多种科学测量载荷,能够提供高精度轨道数据,为研究区域乃至全球构造应力场变化提供了契机。本论文以构造应力场的重力驱动机制为理论基础,建立基于Swarm卫星轨道摄动和EGM2008重力场模型计算区域构造应力场的数学模型,并完成算法实现。论文的主要内容及研究成果如下:(1)对构造应力领域的相关研究进行概述。针对构造应力的驱动机制、构造应力的计算方法、地学事件中的构造应力变化等方面的研究进行总结。(2)建立以重力驱动为基础的区域构造应力数学模型。重力是构造应力的主要作用力。构造应力的重力驱动学说在解释地球动力学、地质构造变化等方面具有重要意义。在此理论基础上,基于地壳无限平板假设,建立水平重力总梯度、大地垂线偏差和低轨卫星轨道摄动力计算区域构造应力的数学模型。(3)完成Swarm卫星轨道数据的精化处理。Swarm卫星提供高精度简化动力学轨道数据,为满足后续研究计算要求,实现卫星轨道观测数据的多种时间系统和坐标系统间相互转化。(4)以华北板块作为研究区域,利用EGM2008重力场模型的重力异常和垂线偏差分别计算区域构造应力,验证算法的可靠性。从计算结果中得到以下结论a)利用EGM2008重力场模型的重力异常与垂线偏差两种方法计算的华北板块构造应力场结果与以往学者的结果在数值、趋势等方面都基本吻合;b)利用垂线偏差得到应力场比重力异常的结果趋势更加明显,结果刻画更加细致;c)EGM2008重力场模型计算的构造应力场与实际的构造带、地震区等地学区域能较好地对应,为进一步利用模型地计算结果进行地震区域构造应力场的分析提供了可能;(5)利用EGM2008重力场模型和Swarm卫星摄动计算地震地区非震时构造应力场与地震前后的构造应力场变化趋势。论文选择2017年的伊拉克地震、九寨沟地震以及2018年斐济群岛地区发生的两次深源地震作为研究对象,先利用EGM2008重力场模型的垂线偏差计算得到地震地区的非震时构造应力场,对地震区域的应力场基本情况进行分析。然后利用Swarm三颗卫星分别计算了地震前后五个月的平均应力,得到地震前后构造应力的变化趋势。通过对比分析计算结果,得到以下结论:a)EGM2008重力场模型的垂线偏差对浅源地震地区的构造应力反演能够很好地反映其实际构造情况,发震地点均位于构造应力活跃的地区;b)EGM2008重力场模型的垂线偏差对深源地震地区的构造应力反演相对较差,只能反映部分构造情况,但发震地区也位于构造应力相对活跃的地区;c)相比于其他两颗轨道较低的卫星,Swarm-B卫星能够很好地反演浅源地震地区发震前后构造应力的变化趋势。但深源地震,三颗卫星对的反演结果均不能很好地反演地震前后应力的变化趋势。


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